Projektleitung. Christoph Stölzel Variotec GmbH Weißmarterstr. 3 D Neumarkt i.d. Opf. Projektbearbeitung

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3 Evaluierung der Energieeffizienz von aktiv durchströmten Wandkühlflächen mit Phasenwechselmaterial in Wohngebäuden in Kombination mit einer Zisternenkühlung und Optimierung des Betriebes durch Entwicklung geeigneter Regelstrategien Projektleitung Christoph Stölzel Variotec GmbH Weißmarterstr. 3 D Neumarkt i.d. Opf. Projektbearbeitung Dipl.-Ing. Doreen Kalz Dipl.-Ing. Jan Wienold Dipl.-Ing. Martin Fischer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Abteilung für Thermische Anlagen und Gebäudetechnik Gruppe Solares Bauen Heidenhofstraße Freiburg

4 Dieser Bericht umfasst 93 Seiten. Der Forschungsbericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung gefördert (AZ:Z / II3-F ). Die Verantwortung für den Inhalt des Berichtes liegt bei den Autoren. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Abteilung Thermische Anlagen und Gebäudetechnik Freiburg, 23. Juni Dipl.-Ing. Doreen Kalz Bearbeitung Dipl.-Ing. Sebastian Herkel Gruppenleiter Solares Bauen Fraunhofer ISE, Dka, Rev

5 Inhalt Abstract 5 1 Kurzfassung Teil A: Evaluierung der messtechnischen Untersuchung 7 2 Kurzfassung Teil B: Modellbasierte Auswertung und Optimierung 10 3 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 11 Teil A: Evaluierung der messtechnischen Untersuchung 4 Einleitung, Ziele und Methodik 14 5 Gebäude- und Systembeschreibung Lage und Beschreibung Energiekonzept und Gebäudetechnische Anlagen 21 6 Erweiterung des Messkonzept 28 7 Zusammenfassung der messtechnischen Bewertung Langzeitmessung: Januar 2006 bis Dezember Thermische Energiebilanz im Kühlfall Elektrische Energiebilanz Energieeffizienz Zusammenfassung und Schlussfolgerung 41 8 Zusammenfassung der messtechnischen Bewertung Kurzzeitmessung: Mai 2007 bis August Grundlegende Maßnahmen Übersicht der Ergebnisse Raumtemperaturen im Obergeschoss PCM im Obergeschoss Thermische Performance der Kühlzisterne Strombezug einzelner Verbraucher Zusammenfassung und Schlossfolgerungen der Kurzzeitmessungen 56 Fraunhofer ISE, Dka, Rev

6 9 Bewertung des thermischen Komforts im Sommer Optimierung Hydraulisches System Umwälzpumpen der Geschosse Pumpe an der Kondensatorseite der Wärmepumpe Pumpe an der Verdampferseite der Wärmepumpe Wärmepumpe Leistungszahl Temperaturhub Solaranlage und Notkühlung Regelungsparameter der TABS Zusammenfassung der Optimierungsmaßnahmen 75 Teil B: Modellbasierte Auswertung und Optimierung 11 Ziele und Methodik Simulation: Gebäude- und Anlagenmodell Validierung des Gebäude- und Anlagenmodells Gebäudemodell Anlagenmodell Modelle für die Optimierungsphase: Gebäude und Anlagen84 13 Optimierung des Kühlsystems Beschreibung der untersuchten Betriebsweisen und Regelungsalgorithmen Evaluierung der untersuchten Betriebsweisen und Regelungsalgorithmen 87 Fraunhofer ISE, Dka, Rev

7 Abstract This work introduces and evaluates a novel heating and cooling concept employing thermo-active building systems and environmental energy harnessed from 22-m³ rainwater cisterns for a 290-m² low energy residential building in Germany. The building strives for a significantly reduced primary energy use with carefully coordinated measures such as high quality building envelope by means of vacuum insulated panels, supply and exhaust air system with heat recovery, reduced solar heat gains (solar shading), and the integration of thermal solar collectors and photovoltaic in the plant system. On this premise, a comprehensive long-term monitoring over the course of two years in high time resolution was carried out with an accompanying commissioning of the building performance. Measurements comprise the energy use for heating, cooling, and ventilation, as well as the auxiliary equipment, the performance of the environmental heat source/sink, thermal comfort, air quality, and local climatic site conditions. The analysis focuses on the performance and the efficiency of the rainwater cisterns as natural heat source and sink as well as the heat pump system. First, the paper discusses the performance of the thermo-active building systems, investigates the occupant thermal comfort, determines the efficiency of the heating/cooling system, and evaluates the total end and primary energy use of the building. Second, various operation and control strategies for the cooling plant are investigated by means of a validated building and plant model in the dynamic simulation environment TRNSYS. The optimization is carried out in terms of energy efficiency, occupant thermal comfort and the availability of the rainwater cisterns over the summer months. The central findings of the analysis of the energy and efficiency performance of the HVAC according to four defined balance boundaries are the following: Rainwater cistern as environmental source und sink: The energy balance of the cisterns is mainly influences by the heat loss and gain to the surrounding ground. The volume of the cistern has to be dimensioned adequately in accordance with the required heating and cooling load of the building. In the cooling mode, a volume of 12 m² is available which is sufficient (cooling power kw), but requires a load management, since continuous cooling results in a fast depletion of the energy reservoir (temperatures of the cold cistern above 18 C in summer). However, in the heating mode, the cisterns are not sufficiently sized (heating power 2-5 kw) which requires long operation time Fraunhofer ISE, Dka, Rev

8 of the electrical heater as back-up system. Due to the high auxiliary energy use of the submerged pump in the open-loop system, the SPF in heating mode is poorer 4.9 kwh therm /kwhend as against 6.9 kwh therm /kwh end in cooling mode. Energy distribution and delivery by thermo-active building systems: The analysis of the auxiliary energy use reveals great potential for savings. The submerged and the circulation pumps are oversized according to the pressure drops. Further, the three installed circulation pumps (one for each floor) can be replaced by one pump, reducing the auxiliary energy use. Moreover, the control unit for the TABS has re-implemented standard features usually used in conventional cooling systems (e.g., nighttime set-up) which cause longer operation hours and are, therefore, disadvantageous for the efficiency performance. End and primary energy use of the building: The primary energy use for heating, cooling and ventilation (without lighting) amounts to 55 kwh prim /a. Therewith, the auxiliary energy contributes 28% to the total primary energy use (15 kwh prim /a). This reveals optimization and saving potential. Operation and control: The surface-near thermo-active building system requires a operation during the day. Considering an optimum of thermal occupant comfort, energy efficiency and availability of the rainwater cistern, a control of the water supply temperature in accordance with the ambient air is most favorable. The control of the system considering the adaptive comfort model of the EN 15251: (operative room temperatures in accordance with the running mean of the ambient air temperature) benefits the availability of moderate water temperature in the cistern. The rainwater cistern as heat sink is then available for cooling over then entire summer period. Keywords: residential building, long-term monitoring, thermal comfort, environmental heat source/sink, thermo-active building systems, energy efficiency, rainwater cisterns Fraunhofer ISE, Dka, Rev

9 1 Kurzfassung Teil A: Evaluierung der messtechnischen Untersuchung Aufbauend auf den messtechnischen Untersuchungen der haustechnischen Anlagen im Nullheizenergie-Wohnhaus Voggenthal des vorangegangenen BMWi-Projektes zur Entwicklung von Vakkumdämmsystemen wurden Langzeitmessungen im Betrachtungszeitraumes März 2006 bis Dezember 2007 hinsichtlich der thermischen und elektrischen Energiebilanz im Kühlfall analysiert und bewertet. Im Betrachtungszeitraum März 2006 bis März 2007 wurde ca. 3,4 kwh/m² NGF Kälte in das Gebäude eingebracht. Dabei wurde im Obergeschoß mit insgesamt 2,5 und im Erdgeschoß mit 0,47 kwh/m² NGF gekühlt. Das Souterrain wurde mit ähnlich viel Kühlenergie (0,39 kwh/m² NGF ) versorgt, wobei die aktive Kühlung nur für einen Raum im Souterrain genutzt und für den Sommer 2007 komplett deaktiviert wurde. Eine genaue Energiebilanz über die Kombizisternen ist erst mit Erweiterung des Messkonzeptes (Frühjahr 2007) möglich. Der Jahresverbrauch an elektrischer Energie für die gesamten haustechnischen Anlagen beträgt kwh. Der Bedarf an Hilfsenergie aller Pumpen für das Heizen und Kühlen beträgt 21% des gesamten Energiebedarfs für den Betrieb des Gebäudes. Dies ist im Vergleich zu Wohngebäuden ähnlichen Standards sehr groß, sodass beim Bezug an Hilfsenergie noch großes Einsparpotential zu erwarten ist. Der Strombezug aller Pumpen der haustechnischen Anlagen im Betrachtungszeitraum beträgt kwh. Auf den Heizfall entfallen 757 kwh (67%) und auf den Kühlfall 368 kwh (33%). Die Messung der Raumtemperaturen im Gebäude zeigt, dass ganzjährig ein sehr hoher Komfort im Gebäude gegeben ist. Dabei wurde der sommerliche Komfort durch den Einsatz der Kühlzisterne maßgeblich positiv beeinflusst. Die operative Temperatur lag nur an 53 h über 26 C. Um das Kühlkonzept bestehend aus den Kombi-Regenwasserzisternen und der thermoaktiven Bauteilsysteme energetisch genau zu bilanzieren und im Rahmen des Gebäudemonitorings bewerten zu können, wurden die Wärmeund die Kältezisterne im März 2007 mit zusätzlicher Messtechnik (Wassertemperaturen, Temperaturschichtung, zu- und abfließende Regen- und Frischwassermengen) versehen. Auf Basis der bisherigen Messdatenauswertung wurde eine vierwöchigen Testphase sowie Kurzzeitmessungen durchgeführt, um die Energieeffizienz des Fraunhofer ISE, Dka, Rev

10 Kühlkonzeptes und die einzelnen Strombezüge der Pumpen detaillierter zu untersuchen. Die Jahressumme an Standby-Strom für die haustechnischen Anlagen beträgt ca.780 kwh/a. Anhand der ermittelten Messwerte für die Stromaufnahme der Haushaltsgeräte kann der momentan vorliegende jährliche Stromverbrauch für den Standby-Betrieb der Haushaltsgeräte auf ca kwh/a abgeschätzt werden. Für den Zeitraum der Testwoche wurde eine Energiebilanz für die Kühlzisterne erstellt. Der größte Anteil an der Kältezisterne zugeführten Wärme (289 KWh) wurde an das umgebende Erdreich abgegeben. Nur ein geringer Anteil des Wärmeverlustes der Kältezisterne entfällt auf das zugeführte Frisch- und Regenwasser. Die Zisternenkapazität wurde in der Testphase nahezu ausgeschöpft, da die Wassertemperatur zeitweise bei 20 C lag. Dies ist auf den dauerhaft geöffneten Sonnenschutz und die aktive Kühlung des gesamten Obergeschosses während der Testphase zurückzuführen. Durch Niederschlag und geringe Kühlungsleistung über neun Tage wurde die Temperatur der Zisterne um drei Kelvin abgesenkt. Das zeigt, dass die Kühlkapazität der Zisterne begrenzt ist. Dies muss in der Betriebsweise berücksichtigt werden. Großes Optimierungspotential enthält das hydraulische System und die zugehörigen Förderpumpen, da diese einen hohen Anteil der Stromaufnahme der Haustechnik verursachen (bis zu 28%). Daher sollte nach Möglichkeiten gesucht werden, diese eingesetzte Hilfsenergie entscheidend zu minimieren. Dies ist zum einen durch Änderungen der Leitungsführung oder -dimensionierung im Bereich der Hydraulik sowie durch den Einsatz von Hocheffizienzpumpen möglich. Über den Bilanzierungszeitraum von März 2006 bis Februar 2007 ergibt sich aus 988,6 kwh Kältemenge und 252 kwh Pumpenstrom eine Jahresarbeitszahl (JAZ) für die Gebäudekühlung von 3,92 kwh therm /kwh el. Dabei befinden sich die Arbeitszahlen der einzelnen Sommermonate in einem Bereich von maximal 5,05 bis minimal 2,97 kwh therm /kwh el. Ziel sollte eine JAZ von 10 kwh therm /kwh el sein. Um diesen Zielwert zu erreichen, müssen sowohl die eingesetzten Komponenten als auch Betriebs- und Regelalgorithmen optimiert werden. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

11 Es werden Maßnahmen aufgezeigt und bewertet, die ein hohes Einsparpotential an elektrischer und thermischer Energie aufweisen: Das Führungsmodul im Kühlmodus, das vergleichbar mit einer Heizkurve ist, kann deaktiviert werden. So kann unabhängig von der Außentemperatur die von der Zisterne entnommen Vorlauftemperatur ausgenutzt und durch die größere Temperaturdifferenz ein schnelleres Abkühlen des Raumes erreicht werden. Dies führt wiederum zu kürzeren Pumpenlaufzeiten und Stromeinsparung. Auf diese Anhebung der Solltemperatur im Kühlbetrieb kann verzichtet werden. Dadurch können die Pumpenlaufzeiten zum Erreichen der vorgegeben Raumtemperatur reduziert werden. Bislang wird im Kühlfall die Solltemperatur zeitgesteuert während der Nachtstunden angehoben. Durch einen intermittierenden Betrieb mit größerer Schalthysterese oder durch den Pumpenaustausch zu hocheffizienten Energiesparpumpen kann der Pumpenbetrieb optimiert werden. Diese mit dem Energielabel A ausgezeichneten Pumpen können den Hilfsenergiebedarf gegenüber herkömmlichen Pumpen nach Herstellerangaben um bis zu 80% reduzieren. Denkbar wäre auch eine Demontage der drei ungeregelten Umwälzpumpen (Leistungsaufnahme der drei Pumpen auf Stufe 1 insgesamt 138 W), welche die einzelnen Stockwerke versorgen und den Hauptteil an Hilfsenergie der Pumpen benötigen. Dieser große Strombedarf könnte durch den Umbau der Anlage und die Versorgung durch nur eine geregelte Hocheffizienzpumpe deutlich reduziert werden. Nach einer ersten Abschätzung liegt der maximalen Leistungsbereich der Pumpe zwischen W. Dies würde ca. 800 kwh Energie sparen (bei ca Betriebsstunden der Pumpe im Heiz- und Kühlfall). Über den Bilanzierungszeitraum von Januar 2007 bis Dezember 2007 ergeben sich abschließend folgende Kennzahlen: Die Energieeffizienz im Kühlfall (JAZ) konnte für das Betriebsjahr 2007 auf 6.9 kwh therm /kwh el erhöht werden. Der monatliche Endenergiebezug für die technische Gebäudeausrüstung (Heizen, Kühlen and Lüften) variiert zwischen 0.5 and 6 kwh end /(m NGF ²Monat). Der jährliche Primärenergiebezug für die Gebäudetechnik liegt bei 52 kwh prim /m NGF ²a, wobei ein Anteil von 28% auf den Hilfsenergiebezug für die Pumpen im Primär- und Sekundarkreis entfällt (Heizen und Kühlen). Fraunhofer ISE, Dka, Rev

12 2 Kurzfassung Teil B: Modellbasierte Auswertung und Optimierung Durch intensives Langzeitmonitoring des Anlagen- und Gebäudebetriebes im Sommer 2006 und 2007 konnte der Kühlfall energetisch und thermisch bewertet werden. Mit Hilfe einer modellbasierten Auswertung der Ergebnisse aus der Langzeitmessung wird der bisherige Kühlbetrieb bewertet und optimiert. Dazu wird in der Simulationsumgebung TRNSYS ein dynamisches Gebäude- und Anlagenmodell erstellt und mit den Ergebnissen aus den Langzeit -und Kurzzeitmessungen validiert. Auf Grundlage von Modellrechnungen werden verschiedene Regelstrategien und Betriebsweisen in Bezug auf Energieeffizienz, bereitgestellte Kühlenergie, thermischen Raumkomfort und den Betrieb der Kühlzisterne (Kühlpotential über die gesamte Sommerperiode) untersucht und bewertet. Die zentralen Ergebnisse der Simulationsstudie stellen sich wie folgt dar: Tagbetrieb und Nachtbetrieb: Ein alleiniger Nachtbetrieb des thermoaktiven Bauteilsystems von 22 bis 6 Uhr wirkt sich nachteilig auf den Raumkomfort aus (höchste Überschreitungshäufigkeiten einer Raumtemperatur von 25,5 C). Das Gebäude stellt keine ausreichend große thermische Speichermasse zur Verfügung, um im Nachtbetrieb Kühlenergie in die Bauteile einzuspeichern und diese während des Tages bereitzustellen. Unter Berücksichtigung der zu optimierenden Parameter Komfort, Energieeffizienz und Kühlpotential der Kältezisterne erzielt eine Regelung der Vorlauftemperatur der thermoaktiven Bauteilsysteme nach der Außentemperatur die besten Ergebnisse. Hohe Außentemperaturen bedingen dabei eine geringere Vorlauftemperatur bis minimal 16 C. Dies führt zur Abfuhr höherer Wärmelasten und damit zu kürzeren Pumpenlaufzeiten, was sich günstig auf die Energieeffizienz des Systems auswirkt. Das recht schnell reagierende thermoaktive Bauteilsystem (oberflächennahes System) erfordert keinen retrospektiven oder prädiktiven Regler. Die Regelung der Sollwerte der operativen Raumtemperatur gemäß des adaptiven Komfortmodells (DIN EN 15251: ) nach dem gleitenden Mittel der Außentemperatur führt zu höheren Temperaturniveaus zwischen 24 und 28 C. Da nach dem Komfortmodell höhere Temperaturen zulässig sind, wird aber weniger Kühlenergie Fraunhofer ISE, Dka, Rev

13 erforderlich. Dies begünstigt das ein über die gesamte Sommerperiode zur Verfügung stehendes Kühlpotential der Zisterne. 3 Zusammenfassung und Schlussfolgerung Seit Januar 2006 werden in dem als Nullheizenergie geplanten Wohnhaus in Voggenthal im Rahmen eines Gebäudemonitorings Temperaturen und Energieflüsse des Gebäudes und der haustechnischen Anlagen messtechnisch erfasst, um das Kühlkonzept über die Regenwasserzisternen und thermoaktiven Bauteilsysteme energetisch bilanzieren und bewerten zu können. Durch ein Langzeitmonitoring des Anlagen- und Gebäudebetriebes im Sommer 2006 und 2007 konnte der Kühlfall energetisch und thermisch bewertet werden. Thermischer Raumkomfort: Die Messung der Raumtemperaturen im Gebäude zeigt, dass ganzjährig ein sehr hoher Komfort im Gebäude gegeben ist. Besonders im Bereich der Gebäudekühlung während der Sommermonate ergeben sich bei der Einbindung der Regenwasserzisternen große Vorteile. Der erreichte sommerliche Komfort wurde durch den Einsatz der Kühlzisterne maßgeblich positiv beeinflusst. Energieeffizienz: Der Einsatz einer Regenwasserzisterne als Wärmesenke für die Gebäudekühlung zeichnet sich durch eine hohe Effizienz und einen geringen Einsatz von Primärenergie aus. Die Energieeffizienz des Kühlbetriebs wird als Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedrückt und stellt das Verhältnis von Nutzenergie zu elektrischem Energiebezug (Hilfsenergie) dar. Das Kühlsystem weist für das Betriebsjahr 2007 eine Energieeffizienz (JAZ) von 7,0 kwh therm /kwh el auf und ist damit um einen Faktor 2,5 besser als konventionelle Kühlsysteme (luftgeführte Systeme in Kombination mit einer Kältemaschine, COP 3 kwh therm /kwh el ). Großes Optimierungspotenzial besteht beim hydraulischen System und den zugehörigen Förderpumpen, da diese den entscheidenden Anteil des Strombezugs der Haustechnik im Kühlfall verursachen. Unerlässlich ist die korrekte hydraulische Dimensionierung des Systems sowie die richtige Auswahl der Systemkomponenten. Durch den Einsatz von hocheffizienten Pumpen kann die Anlageneffizienz entscheidend verbessert werden (für das vorliegende Projekt eine Jahresarbeitszahl bis zu 20 kwh therm /kwh el ). Betrieb der Kühlzisterne: Eine genaue Planung und Auslegung des Energiekonzeptes sowie der Einsatz effizienter Systemkomponenten haben den entscheidenden Einfluss auf die Energieeffizienz und den Primärenergieeinsatz des Systems und damit die Energiekosten. Dann spielt der Betrieb und die Regelung des Kühlsystems eher eine untergeordneter Rolle. Ein kontinuierlicher Fraunhofer ISE, Dka, Rev

14 Betrieb des Kühlsystems wirkt sich jedoch ungünstig auf das Kühlpotential der Zisterne aus, d.h. ein kontinuierlicher Kühlbetrieb führt bei Regenwasserzisternen mit relativ geringem Volumen um 12 m³ zum raschen Anstieg der Zisternentemperatur, sodass effektives Kühlen über die gesamte Sommerperiode kaum möglich ist. Somit ist die richtige Betriebsweise und Regelung des Anlagensystems für eine effektive und auch effiziente Kühlung wichtig. Unter Berücksichtigung der zu optimierenden Parameter Komfort, Energieeffizienz und Kühlpotential der Kältezisterne erweist sich eine Regelung der Vorlauftemperatur der thermoaktiven Bauteilsysteme nach der Außentemperatur im Tagbetrieb als optimal. Die multifunktionale Nutzung der Regenwasserzisternen vereint sowohl Aufgaben der Gebäudeheizung und kühlung, Regenwassernutzung für die Gartenbewässerung, Grauwassernutzung und als Wärmesenke für die Stillstandsvermeidung der solarthermischen Kollektoranlage (Vermeidung von Überhitzung). Diese Kombination stellt ein dezentral regeneratives, energieeffizientes und damit zukunftsfähiges Wasser- und Energienutzungssystem dar. Kosten und Erschließung: Umweltenergie aus Regenwasser und dem angrenzenden Erdreich der Zisternen lässt sich kostengünstig erschießen. Das primärenergetisch effiziente Kühlsystem zeichnet sich durch relativ niedrige Betriebs- und Wartungskosten aus. Die Umsetzung dieses System ist sowohl im Gebäudeneubau als auch in Sanierungsprojekten möglich. Weiterer Forschungsbedarf: Im vorliegenden Projekt wurde eine handelsübliche Zisterne installiert. Weiter Optimierungsbedarf liegt im Design, Aufbau und im verwendeten Material der Zisternen. Es muss untersucht werden, mit welchen Maßnahmen die Zisterne thermisch besser an Erdreich gekoppelt werden kann. Der Einsatz von externen Wärmetauschern kann eine Möglichkeit darstellen. Die Effizienz des Heizbetriebes ist noch nicht zufrieden stellend. Die Effizienz des Wärmepumpenbetriebs ist abhängig von der Temperatur der Wärmequelle. Mit absinkender Temperatur in der Regenwasser-/ Wärmezisterne reduziert sich auch die Effizienz des Wärmepumpenbetriebs. Für die Bereitstellung des erforderlichen Heizwärmebedarfs des Gebäudes muss die Auslegung der Kombi- Regenwasserzisternen weiter optimiert und dem Heizwärmebedarf des Gebäudes angepasst werden. Weiterhin ist der Einfluss unterschiedlicher geologischer Parameter auf die Kühl- und Heizleistung der Regenwasserzisterne zu untersuchen. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

15 Der Einsatz eines hocheffizienten multifunktionalen Regenwassersystems für die Gebäudebeheizung und kühlung sowie der Wassernutzung muss noch für Mehrfamilienhäuser bzw. kleinere Nichtwohnungsgebäude untersucht werden. Es sollte bewertet werden, inwieweit ein Wassernutzungssystem im Rahmen eines integralen Infrastruktursystems für Wasser, Abwasser, Energie (Wärme, Kälte, Solar) und Abfall geschaffen werden kann. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

16 4 Einleitung, Ziele und Methodik Motivation und Ziele In Deutschland werden Wohngebäude üblicherweise nicht aktiv gekühlt, da es einerseits keine verpflichtenden normativen Anforderungen hinsichtlich der Komfortrandbedingungen in Wohngebäuden gibt und andererseits der Einsatz bauphysikalischer Maßnahmen wie Bauschwere in Kombination mit Sonnenschutz und Nachtlüftung in der Regel ausreichend Komfort bietet. Diese Randbedingungen, die das Thema Kühlung von Wohngebäuden maßgeblich beeinflussen, sind derzeit durch steigende Ansprüche an den thermischen Komfort und Klimaänderungen einem Wandel unterzogen. Der heiße Sommer 2003 und der Juli 2006 deuten daraufhin, das es auch in Deutschland häufiger zu länger anhaltenden Hitzeperioden kommen wird. Durch die weitgehende Einführung und Akzeptanz von Klimaanlagen im Fahrzeugbereich steigen in der Bevölkerung auch die Ansprüche an den thermischen Komfort in Wohngebäuden. Im Jahrhundertsommer 2003 war zu beobachten, dass viele elektrische Umluftgeräte mit schlechtem Wirkungsgrad und hohem Energieverbrauch verkauft und installiert wurden. Allein in den letzten zehn Jahren ist die gekühlte Fläche in Deutschland von 70 Mio. m² (1995) auf 230 Mio. m² (2005) gestiegen. Nach einer Studie der Energy Efficiency of Room Air- Conditioners (EERAC) ([2]) werden sich im Gewerbe- und Wohnungsbau die klimatisierten Flächen insbesondere im südlichen Europa von 1996 bis 2020 vervielfachen. Sichtbar wird dies durch einen exponentiell wachsenden Markt für kleine elektrisch angetrieben Kühlaggregate, sogenannte Splitgeräte. Innerhalb von 6 Jahren (1990 bis 1996) stieg die Zahl der jährlich verkauften Geräte in Europa von auf [1]. Um dieser sich abzeichnenden Entwicklung Rechnung zu tragen, ist die Entwicklung von energieeffizienten und in der Baupraxis einfach umzusetzende Kühlkonzepten notwendig, die möglichst natürliche Wärmesenken wie zum Beispiel das Erdreich, Grundwasser oder auch die Außenluft nutzen. Will man das niedrigere Temperaturniveau der natürlichen Wärmesenken direkt zum Kühlen der Räume einsetzen, sind großflächige Wärmeübergabesysteme (thermoaktive Bauteilsysteme) erforderlich, um bei geringen Temperaturunterschieden zwischen Bauteil und Raumluft eine entsprechende Heiz- bzw. Kühlleistung zu erzielen. Aufgabenstellung Für das Nullheizenergie-Wohnhaus wurde ein innovatives Kühlsystem entwickelt und realisiert, das aus folgenden Komponenten besteht: Fraunhofer ISE, Dka, Rev

17 Umweltenergie als Wärmesenke: Als natürliche Wärmesenke steht eine Regenwasserzisterne mit einem Volumen von 11 m³ zur Verfügung. Mittels eines in der Zisterne integrierten Rohrwärmetauschers kann die aus dem Gebäude abgeführte Wärme in die Zisterne und damit dem angrenzenden Erdreich gespeichert werden. Die Energiebilanz der Regenwasserzisterne wird zudem durch die Menge an zugeführtem Frischwasser beeinflusst. Energieverteilung: Die Energieverteilung im Kühlfall erfolgt über das hydraulische Verteilnetz der Heizung. Das System musste somit lediglich um Umschaltventile erweitert werden. Nutzenergieübergabe an den Raum: Mittels wassergeführten thermoaktiven Bauteilsystemen (in Wand- und Deckenflächen integrierte Rohrsysteme) werden solare und interne Lasten aus den Räume abgeführt. Thermischer Speicher: Um die thermische Speicherfähigkeit des Gebäudes zu erhöhen sind latente Wärmespeichermaterialien (Phasenwechselmaterialien) in den Wänden und Decken eingesetzt worden. Während der sommerlichen Tagen kann damit Wärme gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt mittels des wasserdurchströmten TABS System wieder abgeführt werden. Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist die Evaluierung des Kühlkonzeptes bestehend aus Regenwasserzisterne als natürliche Wärmesenke, thermoaktiven Bauteilsystemen und Phasenwechselmaterialien für den Einsatz in Wohngebäuden. Im Rahmen dieses Projektes soll das innovative Kühlsystem hinsichtlich des Energieverbrauchs, der Energieeffizienz und des thermischen Komforts im Sommer analysiert und bewertet werden. Stand der Technik: Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) Mit dem Einsatz von thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS) kann der Energiebezug im Heiz- und Kühlfall bedeutend reduziert werden, ohne die thermische Behaglichkeit zu beeinträchtigen. Aus diesem Grund haben TABS- Systeme in den letzten 10 Jahren sowohl im Nichtwohnungsbau als auch im Wohnungsbau an Bedeutung gewonnen ([3] - [13]). Erfahrungen mit der Auslegung, der Installation und dem Betrieb von thermoaktiven Bauteilsystemen liegen vor ([5], [10]). Im Jahre 2001 waren in Deutschland mehr als 60 Nichtwohngebäude mit einer BKT im Bau oder bereits in Betrieb. Bereits 2003 wurde der Anteil der gewerblichen Neubauten, bei denen inzwischen Systeme zur Betonkerntemperierung geplant oder realisiert wurden, auf bis zu ein Drittel geschätzt. Aufgrund der Konstruktionsvielfalt können TABS-Systeme (Betonkerntemperierung, Fußbodentemperierung, Fraunhofer ISE, Dka, Rev

18 oberflächennahe Bauteiltemperierung) sowohl in Sanierungsprojekten als auch im Neubau eingesetzt werden. Des Weiteren liegen für TABS-Systeme theoretische Untersuchungen und Simulationsstudien vor, die sowohl den Einfluss des Rohrsystems auf das Bauteil [22] als auch Betriebsweisen und Regelstrategien untersuchen ([9]-[24]). Detaillierte mathematische Modelle für TABS-Systeme sowie deren Implementierung in dynamische Gebäudesimulationsmodelle sind verfügbar [25]-[33]). Im Nichtwohnungsbau wurden thermoaktive Bauteilsysteme in Kombination mit Umweltenergie schon messtechnisch untersucht und hinsichtlich des Energiebezugs, der Energieeffizienz und des thermischen Komforts bewertet ([4], [7], [11], [19], [21]). Diese messtechnischen Untersuchungen und Auswertungen fehlen für den Bereich des Wohnungsbaus. Stand der Technik: Natürliche Umweltquellen und Umweltsenken Prinzipiell kann die Energiebereitstellung für thermoaktive Bauteilsysteme auf alle Arten erfolgen mit denen Heiz- und Kühlenergie üblicherweise in Gebäuden bereitgestellt wird. Aus ökologischen Gründen sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Vorzüge des Systems genutzt werden, um den Primärenergiebedarf des Gebäudes durch das System TABS so gering wie möglich und damit niedriger als bei konventionellen Heiz- und Kühlsystemen zu halten. Der Vorteil der BKT liegt in der thermischen Aktivierung einer großen wärme- /kälteübertragenden Fläche (Decke, Wand, Fußboden), die es ermöglicht, bei gleicher Kühl- /Heizleistung den Unterschied der Temperatur des kühlenden/wärmenden Mediums gegenüber der Raumtemperatur zu verringern. Die Kühlwassertemperaturen betragen häufig 18 bis 22 C, die Heizwassertemperaturen maximal 27 bis 29 C. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperaturen zur Heizung und der hohen Temperaturen zur Kühlung kann die thermische BKT optimal mit regenerativen Wärme- und Kälteerzeugern kombiniert werden. Umweltenergie Erdreich, Grundwasser, Außenluft - kann zum Kühlen direkt wirtschaftlich eingesetzt werden. Bei der Dimensionierung des Wärme-/ Kälteerzeugers und der eventuelle Einsatz von zusätzlichen Heiz- und Kühlsystemen stehen vor allem Fragen der Verfügbarkeit und des Temperaturniveaus der Quelle/Senke sowie die erforderliche Heiz- bzw. Kühlleistung im Vordergrund. Oft bildet die Untersuchung von verschiedenen Systemvarianten hinsichtlich des Primär- und Endenergiebedarfs, der Wirtschaftlichkeit sowie der Investitionskosten die Grundlage dafür, welches Konzept letztendlich zum Einsatz kommt. Für den Einsatz von Umweltenergie aus dem Erdreich (Erdwärmesonden, Energiepfähle), aus dem Grundwasser (Brunnensystem) und aus der Außenluft Fraunhofer ISE, Dka, Rev

19 (Kühltürme) liegen messtechnische Untersuchungen und Bewertungen hinsichtlich der Energiebereitstellung und deren Effizienz vor [19]. Für den Einsatz und die Effizienz von Umweltenergie aus Regenwasser liegen bisher nur sehr wenige Untersuchungen vor (bisher meistens nur Testanlagen) ([35] - [37]). Stand der Technik: Phasenwechselmaterialien (PCM) Das thermische Verhalten eines Gebäudes wird durch die thermischen Speichermassen, die Fensterfläche, die Dämmung, den sommerlichen Wärmeschutz, die Lüftung und die internen Lasten beeinflusst. In Gebäuden, denen aufgrund ihrer leichten Bauweise die thermische Speichermasse fehlt, können insbesondere im Sommer durch solare und auch interne Lasten hohe Raumtemperaturen auftreten, die zu einer Einschränkung des Wohnkomforts führen. Um die thermische Speicherfähigkeit des Gebäudes zu erhöhen sowie die Pumpenlaufzeiten des Heiz-/Kühlsystems zu minimieren, können Phasenwechselmaterialen (PCM, mikroverkapselte Paraffine, englisch Phase Change Materials) eingesetzt werden. In Baustoffen integrierte Phasenwechselmaterialien (eng. Phase Change Materials, PCM) in Form von mikroverkapselten Paraffinen stellen eine Möglichkeit dar, tagsüber anfallende thermische Lasten in einem definierbaren Temperaturbereich isotherm aufzunehmen und Spitzen zu dämpfen ([16]). An Tagen mit hohen Außentemperaturen und starker solarer Einstrahlung steigt die Raumtemperatur. Durch das Schmelzen des Paraffins wird der PCM- Speicher geladen. Dadurch wird ein Temperaturanstieg im Raum abgepuffert. Ein entscheidender Vorteil von PCM liegt somit in der Komfortverbesserung durch Stabilisierung der Raumtemperaturen. Durch ein Absenken der Oberflächentemperatur wird das PCM wieder entladen, dabei erstarrt das Paraffin. Die Entladung des PCM-Speichers kann sowohl luftgeführt d.h. passiv als auch aktiv über ein wassergeführtes System erfolgen. Diese Entladungsvarianten werden im Weiteren noch genau beschrieben. Phasenwechselmaterialien sind in verschiedenen Schmelztemperaturen erhältlich. Im Gebäudebereich wird typischerweise ein Temperaturbereich von C gewählt. Dabei ist entscheidend, wie der thermische Speicher entladen werden kann und welche Anforderungen der Nutzer an das Raumtemperaturniveau im Kühlfall vorgibt ([14] - [18]). Fraunhofer ISE, Dka, Rev

20 Potential für weitere Forschung Erste Untersuchungen und Ergebnisse weisen darauf hin, das weiteres Optimierungspotential im Betrieb und in der Regelung von TABS Systemen zu finden ist. Dabei ist der Hilfsenergieverbrauch für die Energiegewinnung und Verteilung von großer Bedeutung für weitere Analysen. Trotz integraler Planung der Gebäude und technischer Anlagensysteme erreichen Gebäude oftmals nicht die geplante hohe Energieeffizienz. Dafür gibt es mehrere Ursachen wie zum Beispiel Installationsfehler, ungeeignete Anlagenkomponenten, fehlende Betriebsüberwachung und analyse sowie fehlende Rückmeldung des Energiebezugs und somit der Anlageneffizienz. Ungenügende Betriebsweisen können zu erheblichen Energiebezug insbesondere Hilfsenergiebezug und somit Energiekosten führen. Methodik In einem vom Bundesministerium für Wirtschaft [34] geförderten Projekt wurden vom Fraunhofer ISE für die Planung des Nullheizenergiehauses in Voggenthal umfangreiche Berechnungen durchgeführt, die den Planungsprozess begleiteten. Im Anschluss daran wurde das Gebäude und die haustechnischen Anlagen messtechnisch bewertet. Gegenstand des BMWi geförderten Projektes waren dynamische Simulationen zur Auslegung und Bewertung der haustechnischen Anlagen, die energetische Bewertung des Gebäude- und Anlagenkonzeptes, die Untersuchung von Wärmebrücken und die Bewertung der Vakuum-Isolations-Paneele. Im Rahmen des vom BBR geförderten Projektes soll darüber hinaus der Betrieb der haustechnischen Anlagen auf Basis von Langzeitmessungen, Kurzzeitmessungen und modellbasierter Datenauswertung (Simulationen) für das Kühlkonzept (Umweltenergie und thermoaktive Bauteilsysteme) detailliert untersucht, bewertet und anschließend optimiert werden. Schwerpunkt ist zum einen die Bewertung der eingesetzten Komponenten der haustechnischen Anlagen auf Basis von messtechnischen Untersuchungen (Teil A) und zum anderen die Analyse und Optimierung geeigneter Regelstrategien und Betriebsweisen (Teil B). Dazu hat das Fraunhofer ISE die nachfolgend dargestellten Bereiche bearbeitet: TEIL A: Evaluierung der messtechnischen Untersuchung (i) Aufbereitung der für den Kühlfall relevanten Messdaten aus den Langzeitmessungen sowie deren Analyse und Auswertung: Zunächst erfolgt eine umfangreiche Analyse der Messwerte. Gegenwärtige Fehlkonfigurationen, fehlerhafte Regelungseinstellungen und Schwachstellen können so aufgedeckt und behoben werden. Aus den Fraunhofer ISE, Dka, Rev

21 Messwertaufzeichnungen der Wärmemengenzähler werden die regelungstechnischen Parameter überprüft und zusätzlich das hydraulische Verteilnetz bewertet. Die Energieströme der Kälteversorgung sowie der Strombezug werden ausgewertet und die Effizienz innerhalb der Teilbereiche Kälteerzeugung, -verteilung, und -übergabe sowie Gesamtsystem bewertet. Insbesondere werden dabei auch die Temperaturen und das Raumklima beurteilt. Weiterhin kann die Funktion und Effizienz des Phasenwechselmaterials unter den gegebenen Randbedingungen evaluiert werden. (ii) Erweiterung des Messkonzeptes und erforderliche Installation zusätzlicher Messtechnik: Um das Kühlkonzept bestehend aus den Kombizisternen und der thermoaktiven Bauteilsysteme energetisch genau zu bilanzieren und im Rahmen des Gebäudemonitorings bewerten zu können, wurden die Wärme- und die Kältezisternen mit zusätzlicher Messtechnik versehen. (iii) Aufbereitung und Auswertung durchgeführter Kurzzeitmessungen: Auf Basis der bisherigen Messdatenauswertung und Analysen wurden verschiedene Regelungsansätze und Betriebsweisen für das thermische Kühlsystem in Kombination mit Phasenwechselmaterialien während einer vierwöchigen Testphase durchgeführt und getestet, um die Energieeffizienz der Anlage unter Aufrechterhaltung bzw. Verbesserung des thermischen Komforts zu steigern. (iv) Aufgrund des hohen Strombezugs im Gebäude wurde eine genaue Aufschlüsselung der Stromaufnahme aller Elektroanschlüsse des Haushalts und der Haustechnik nötig, um Geräte mit hohem Standbystrom zu identifizieren. (v) Bewertung des Energiebezugs und der Energieeffizienz im Kühlfall, ausgedrückt als Jahresarbeitszahl (JAZ). (vi) Maßnahmen zur Optimierung des Systems: Es werden Maßnahmen aufgezeigt und bewertet, die ein hohes Einsparpotential an elektrischer und thermischer Energie aufweisen. Teil B: Modellbasierte Auswertung und Optimierung (vii) Mit Hilfe einer modellbasierten Auswertung der Ergebnisse aus der Langzeitmessung wird der bisherige Kühlbetrieb bewertet. Dazu wird in der Simulationsumgebung TRNSYS ein dynamisches Gebäude- und Anlagenmodell erstellt und mit den Ergebnissen aus den Langzeit und Kurzzeitmessungen validiert. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

22 (viii) Mit einem validierten Gebäude- und Anlagenmodell werden auf Grundlage von Modellrechnungen verschiedene Regelstrategien und Betriebsweisen in Bezug auf die Energieeffizienz, den Energiebezug, den thermischen Raumkomfort und den Betrieb der Kühlzisterne untersucht und bewertet. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

23 TEIL A Evaluierung der Messtechnischen Untersuchung 5 Gebäude- und Systembeschreibung 5.1 Lage und Beschreibung Das Nullheizenergie-Wohnhaus Voggenthal dient als Demonstrationsprojekt für die Anwendung von Vakuumdämmpaneelen im Wohnungsbau. Darüber hinaus soll die Energieeffizienz des innovativen Heiz- und Kühlkonzeptes bewertet und optimiert werden. Das Wohnhaus liegt ca. 35 km östlich von Nürnberg in einem Stadtteil von Neumarkt i.d. Opf. Jedes der Geschosse (Souterrain, Erdgeschoss und Dachgeschoss) hat eine Bruttofläche von 100 m², die Nettofläche des gesamten Hauses beträgt 294 m². Die Energiebezugfläche des Hauses beträgt 285 m². Die Hauptfassade ist südsüdwestlich orientiert. Das Dach besteht aus zwei Teilen. Auf der Westseite ein Flach- und auf der Ostseite ein Satteldach. Bild 5-1: Nullenergiehaus Voggenthal; Quelle: VARIOTEC. 5.2 Energiekonzept und Gebäudetechnische Anlagen Das Gebäude wird sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall mit Umweltenergie (Quelle und Senke ist Regenwasser) versorgt. Heizfall: Im Heizfall werden die thermoaktiven Bauteilsysteme über einen Schichtenspeicher versorgt, der primär durch Solarenergie und sekundär durch eine Wärmepumpe erwärmt wird. Ist die Temperatur im Schichtenspeicher für den Heizbetrieb nicht ausreichend (wenige oder keine Nutzung von Solarenergie) und ist kein Wärmepumpenbetrieb auf Grund der geringen Wassertemperatur der Wärmequelle von unter 4 C in der Wärmezisterne Fraunhofer ISE, Dka, Rev

24 möglich, so kann eine Erwärmung des Pufferwasser über einen im Schichtenspeicher integrierten elektrischen Heizstab erfolgen. Der Wärmepumpe stehen zwei Regenwasserzisternen mit einem Volumen von 23 m³ einschließlich dem umgebenden Erdreich als natürliche Wärmequelle zur Verfügung. Kühlfall: Im Kühlfall werden die thermoaktiven Bauteilsysteme direkt über einen in der Regenwasserzisterne (Volumen 12 m³) integrierten Rohrwärmetauscher mit Kälteenergie versorgt. Bild 5-2 stellt schematisch den Bezug von Umweltund Endenergie des Gebäudes für Wärme, Kälte und Strom dar. Bild 5-3 und Bild 5-4 zeigen ein vereinfachtes Schemata der haustechnischen Anlagen und der Wärme- und Kälteversorgung. In den folgenden Unterkapitel werden die einzelnen Komponenten der haustechnischen Anlage für den Kühlfall beschrieben. Die kompletten haustechnische Anlage für die Bereiche Heizen, Kühlen und Lüften ist ausführlich in [34] beschrieben. Energiebilanz Wärme Kälte Strom Umweltenergie Endenergie Solar Zisternen Strom (WP+NHR) Zisternen Nachtluft PV Strom TABS TABS TGA Nutzenergie Bild 5-2: Konzept der Wärme- und Kälteversorgung (Umweltenergie, Endenergie und Nutzenergie) Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS), Wärmepumpe (WP), Nachheizregister (NHR), Photovoltaik (PV), haustechnische Anlagen (TGA). Die einzelnen Komponenten der Haustechnik werden im Folgenden beschrieben. Der Strombezug für die Hilfsenergien (Pumpen und Ventilatoren) ist im Schemata nicht gesondert ausgewiesen. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

25 OG Röhrenkollektor 12m² Legende: Kaltwasser Warmwasser Regenwasser Gartenwasser Vorlauf Rücklauf Kälte- Vorlauf Kälte- Rücklauf P Pumpen Σ Energie Messung WC Garten EG RW t ZISRW Druckwächter Σ Σ Σ P3 P2 P1 KW fl ZISRW t ZISFW p p Druckwächter 1,56m 0,96m KG WW P4 Σ 5 DHE KW NHR P8 Σ 1 Σ 7 8 P5 Σ 9 Σ fl ZISFW 0,1m t ZISK_O 1,15m t ZISK_M 2,3m t ZISK_U 2,46m P6 1,12m P7 0,52m 1,40m t ZISW_M n ZISW 2,3m 2,74m Schichtenspeicher 1000l Wärmepumpe Elco Typ: Aquatop 5 ID 2,5m Kühlzisterne Nennvolumen: 12,5m³ ID 2,5m Wärmezisterne Nennvolumen: 11 m³ Bild 5-3: Schematischer Gebäudeschnitt der Wärme-/ Kälteversorgung einschliesslich der Kombizisternen. Heizung-Kühlung (Sout.) Heizung-Kühlung (EG) Heizung-Kühlung (1.OG) Gartenwasser Toilette P1 i P2 i P3 i Nachspeisung Regenwasser Druckwächter p RL VL Kühlzisterne 12,5m³ Strom Warmbrauchwasser Kalttrinkwasser DE NHR Schichtenspeicher 1000L P5 P8 Wärmezisterne 11m³ P7 P6 VL P4 RL Solarkollektor 12m² VL RL Wärme Pumpe W10/50 6,4kW VL RL Druckwächter p Bild 5-4: Schema der Wärme-/ Kälteversorgung. Wasser/Wasser-Wärmepumpe Für die Deckung der Restheizwärme ist eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe installiert. Als Wärmequelle dient eine der Zisternen ( Wärmezisterne ). Deren Fraunhofer ISE, Dka, Rev

26 Wasser wird in einem offenen Kreislauf zur Wärmepumpe gefördert, von dort aus strömt das abgekühlte Wasser in eine zweite Zisterne ( Kältezisterne ). Lüftungsanlage Im Gebäude ist eine Lüftungsanlage (kontrollierte Be- und Entlüftung) mit Wärmerückgewinnung (WRG) mit einem mittleren gemessenen Wirkungsgrad von 88% installiert. Die Außenluft wird durch einen Erd-Luft-Register angesaugt und durch diesen vorgewärmt, so dass die Gefahr der Vereisung der Wärmerückgewinnung im Winter minimiert wird. Im Sommer wird die Zuluft dann durch die im Erdreich verlegte Zuluftleitung des Erd-Luft-Registers gekühlt. Die Wärmerückgewinnung der Lüftungsanlage ist dann außer Betrieb. Die Lüftungsanlage versorgt die einzelnen Aufenthaltsräume über ein Kanalsystem mit einem Gesamtnennvolumenstrom von 200 m³/h. In den Nassräumen, der Küche und im Technikraum wird die Abluft entnommen. Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) Das Gebäude wird durch Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) geheizt und gekühlt. Zirkulierendes Wasser wird in den TABS als Arbeitsmedium eingesetzt. Solche wasserführende Rohrsysteme sind schon seit mehr als 10 Jahre im Einsatz. Dennoch hat sich hierfür noch keine allgemein akzeptierte Bezeichnung durchgesetzt. Zur Vereinheitlichung ist der Oberbegriff Thermoaktive Bauteilsysteme geeignet, um diese Systeme zusammenzufassen, die durch eine ihre Bauweise die Gebäudestruktur aktiv in das Energiemanagement des Gebäudes mit einbeziehen. Die TABS sind im Decken- und Wandbereich in allen drei Geschossen integriert. Die Oberfläche dient damit als Wärmeübertragungsfläche. Das System wird sowohl zur Beheizung als auch zur Kühlung genutzt. Die einzelnen Stockwerke werden einzeln über je eine Pumpe (P1-P3) versorgt und über eine Beimischschaltung geregelt (Bild 5-4). Durch den Einsatz dieser hydraulischen Schaltung ergeben sich ein variabler Volumenstrom im Erzeugerkreis und ein konstanter Volumenstrom mit variabler Temperatur im Verbraucherkreis. Die einzelnen Verbraucherkreise werden über EIB- Stellventile geregelt. Im Heizfall werden die TABS über den Schichtenspeicher gespeist. Im Kühlfall wird ein Wassermassenstrom direkt vom Röhrenwärmetauscher der Kühlwasserzisterne durch die TABS gefördert. Durch die Umschaltung der Ventile vom Heiz- auf den Kühlmodus (also vom Schichtenspeicher auf den Wärmeübertrager in der Kühlzisterne) erhöht sich der Druckverlust im Kühlfall gegenüber dem im Heizfall. Die eingesetzten Pumpen müssen auf den höheren Druckverlust im Kühlfall ausgelegt werden, obwohl die Betriebszeit im Heizfall mit ca. 75% deutlich überwiegt (siehe Kapitel 10.1). Fraunhofer ISE, Dka, Rev

27 Regenwasserzisternen Auf dem Grundstück sind zwei Kombi-Zisternen mit einer Tiefe von 3 m eingebaut. Gespeist werden die Zisternen durch das auf der ca. 80 m² großen Satteldachfläche anfallendes Regenwasser. Zunächst fließt das Regenwasser über einen Filterkorb in die so genannte Kühlzisterne und mittels eines Überlaufs in die so genannte Wärmezisterne (Bild 5-3). Eine Wasserentnahme für Gartenbewässerung und WC-Spülung erfolgt ausschließlich aus der Wärmezisterne. Unterschreitet deren Füllstand einen Mindestpegel von 1,8 m, wird Frischwasser in die Kühlzisterne nachgespeist, um die Förderpumpe für das WC-Wasser vor dem Trockenlauf zu schützen. Durch die Nachspeisung in die Kältezisterne steht das Kühlpotential des Frischwassers wieder der Gebäudekühlung zur Verfügung. Die Wärme- und Kühlzisterne haben ein Fassungsvermögen von 11 m³ bzw. 12,5 m³. Die Wärmezisterne dient als Wärmequelle für die Wärmepumpe im Heizbetrieb. Im Sommer steht die Kältezisterne als Wärmesenke für den Kühlbetrieb zur Verfügung. Mittels eines in der Kühlzisterne installierten Wärmeübertragers wird Kühlwasser für das TABS System bereitgestellt. In Bild 5-6 ist die Wasserversorgung schematisch dargestellt. Bild 5-5: Thermoaktive Bauteilsysteme in Decken- und Wandausführung. Frischwasser Brauchwasser Regenwasser Kälte- Zisterne Überlauf Wärme- Zisterne WC-Spülung Garten Kanal Schichtenspeicher Wärmepumpe Durchlauferhizer Warmwasser Bild 5-6: Schema der Wasserversorgung. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

28 Phasenwechselmaterialien (PCM) Im Nullheizenergie-Wohnhaus Voggenthal wurde PCM- Material in zwei Ausführungen eingesetzt. Ein PCM- Gipsputz (Tabelle 5-1) und PCM- Trockenbauplatten (Tabelle 5-2). PCM im Gipsputz Um die thermische Speicherfähigkeit der Wandflächen zu erhöhen, ist ein PCM Nassputz vom Typ Clima 26 der Fa. Maxit mit einem Schmelzbereich von C und einem Volumenanteil von 30% PCM in den Bauteilen des Erdgeschosses integriert (Tabelle 5-1). Tabelle 5-1: Eigenschaften des Gipsputzes auf den Wandflächen mit 30% mikroverkapselten Phasenwechselmaterialien (PCM). Physikalische Eigenschaften des PCM-Gipsputz im Erdgeschoss Material Paraffin Dichte [kg/m³] 1000 Thermische Leitfähigkeit [W/(mK)] 0,18 Masse bei 15,0 mm Dicke [kg/m²] 15 Sensible spezifische Wärmekapazität [kj/(kgk)] 1,2 Latente wärme [kj/kg] ca. 330 Schmelzbereich [ C] PCM in Trockenbauplatten In die durch die Holzbauweise mit Vakuum-Isolations-Paneelen leichte Bausubstanz im ersten und zweiten Obergeschoss wurden PCM-Gipsputzplatten (Abmessungen 2000 x 1250 x 15 mm) mit einem Flächengewicht von 11,5 kg/m² (in den Decken- und Wandbereich) eingebaut. Diese von der Fa. BASF entwickelten Gipsbauplatten vom Typ Smartboard eignen sich speziell für den Einsatz im Trockenbau. Sie sind leicht zu bearbeiten und können beliebig angepasst werden. Der Schmelzbereich der Platten liegt im Bereich von C. Ihr Volumenanteil an PCM beträgt 28%, was ca. 3 kg PCM pro Quadratmeter entspricht. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

29 Tabelle 5-2: Thermodynamische und physikalische Eigenschaften der PCM-Gipsputzplatten in Decken- und Wandmontage mit 28% mikroverkapselten Phasenwechselmaterialien (PCM). Physikalische Eigenschaften des PCM-Gipsputz im Obergeschoss 1 und 2 Material Paraffin Thermische Leitfähigkeit [W/(mK)] 0,18 Masse bei 15,0 mm Dicke [kg/m²] 11,5 Sensible spezifische Wärmekapazität [kj/(kgk)] 1,2 Latente wärme [kj/kg] ca. 330 Schmelzbereich [ C] Aktiver und Passiver Einsatz des PCM Zur vollständigen Entladung des PCM muss bei luftgeführter (passiver) Betriebsweise ein hoher Luftwechsel im Bereich von 3 bis 5 h -1 während der Nacht gewährleistet werden. Dies kann durch manuelles oder automatisches Öffnen von Fenstern oder über eine mechanische Lüftungsanlage erreicht werden. Bei Lüftungsgeräten steigt bei einem erhöhten Luftwechsel die elektrische Antriebsenergie allerdings stark an. Dabei erhöht sich die elektrische Leistungsaufnahme in der dritten Potenz zum geförderten Volumenstrom. Die Lüftung über Fensteröffnung ist u.u. weniger effizient, da ein gleichmäßiger und notwendiger Luftwechsel von bis zu 5 h -1 nicht immer gewährleistet werden kann. Bisher wurden PCM in Gebäuden in Verbindung mit passiven Kühlkonzepten eingesetzt. Dabei wurde das PCM passiv durch Nachtlüftung entladen. Experimentelle Untersuchungen und Simulationsstudien zeigen ([13], [16]), dass durch das PCM die Raumtemperaturen nicht so deutlich ansteigen und durch einen ausreichend hohen Luftwechsel nachts wieder entladen werden können. Ebenso wird deutlich, dass die passive Entladung der PCM im Wesentlichen zwei Restriktionen unterliegt, welche die Effizienz der PCM mindern können. (i) Zum einen limitiert der konvektive Wärmeübergang (Annahme 8 W/(m²K)) zwischen Raumluft und Bauteil die Wärmemenge, die in einem 24-h-Zyklus den PCM- Speicher beladen und vor allem auch wieder entladen werden kann. (ii) Zum zweiten ist die Nachtluft beim passiven Entladen durch Nachtlüftung die einzig verfügbare Wärmesenke. Gerade bei höheren Außenlufttemperaturen (>18 C) in den Nachtstunden kann dies dazu führen, dass der Latentwärmespeicher auf Grund von zu geringen Temperaturdifferenzen zwischen Innen- und Außentemperaturen nicht entladen werden kann und somit am nächsten Tag nicht mehr zur Verfügung steht. Fraunhofer ISE, Dka, Rev

30 Die in [13] zu Grunde liegenden Simulationen zeigen jedoch, dass die aktive wassergeführte Durchströmung eines PCM-Speichers zu dessen vollständiger Entladung führt, so dass dieser innerhalb eines 24-h-Zyklus voll einsatzfähig ist. Experimente in Testräumen zeigten bereits, dass ein Hybridsystem aus PCM und Kapillarrohrmatten die geforderten Eigenschaften erfüllt [15]. Dazu werden Kapillarrohrmatten, die mit Wasser durchströmt werden in die Putzschicht eines Deckenaufbaus integriert. Die Spachtelmasseschicht enthält mikroverkapseltes PCM, welches die tagsüber anfallende Wärmelast passiv speichert. Nachts kann der Latentwärmespeicher über die Kapillarrohrmatten aktiv entladen werden. Da dieses Flächenkühlsystem eine große Wärmeübertragungsfläche hat, können die Vorlauftemperaturen nahe am Raumtemperaturniveau liegen. Somit können auch natürliche Wärmesenken wie das Erdreich genutzt werden, welches über Erdwärmesonden erschlossen werden kann. Aus diesen Gründen kann der Hilfsenergiebezug die Kühlung von Räumen (Strombezug für Pumpen und Ventilatoren) reduziert werden. So kann primärenergetische Aufwand verringert und u. U. die ökonomischen Vorteile von Nachtstromtarifen genutzt werden. Im Nullenergiehaus Voggenthal wird in den Sommermonaten insgesamt 147 m² PCM-Material mit einer Schichtdicke von 15 mm über einen erhöhten Luftwechsel durch manuelle Fensteröffnung thermisch entladen. Im Folgenden wird hierfür der Ausdruck passives PCM verwendet. Das aktive PCM wird über das wassergeführte thermoaktive Bauteilsystem aktiv thermisch entladen. Im Folgenden wird hierfür der Ausdruck aktives PCM verwendet. 6 Erweiterung des Messkonzept Die schon vorhandene Messtechnik und Messdatenerfassung wurde im Rahmen des Forschungsvorhaben erweitert. Um das Kühlkonzept über die Kombizisternen und die thermoaktiven Bauteilsysteme energetisch genau zu bilanzieren und im Rahmen des Gebäudemonitorings bewerten zu können, wurden die Wärme- und die Kältezisterne mit zusätzlicher Messtechnik versehen. Des Weiteren wurden am Schichtenspeicher Anlegetemperaturfühler installiert, um die Temperaturschichtung im Speicher dokumentieren zu können. Energiemengen und Temperaturen werden für folgende Komponenten und Bilanzbereiche erfasst: Heizkreispumpen inklusive Regelung, Lüftungsanlage, Nachheizregister im Schichtenspeicher und Durchlauferhitzer, Wärmepumpe, Zisternenpumpe inklusive Regelung für Gartenwasser/ WC, Solarkreis inklusive Regelung und die Stromversorgung für das EIB- Bussystem. Auch der Fraunhofer ISE, Dka, Rev